Approches ´ etudi´ ees

2. Approches ´etudi´ees

Le but de cette section est de pr´esenter les travaux de recherche et les dispositifs existants pour la navigation ´echo-guid´ee de la biopsie de prostate. Les syst`emes de navigation ont pour but de faciliter l’intervention pour le chirurgien en le guidant pendant la proc´edure. Les travaux de recherche concernent des th´ematiques larges touchant `a la fois le traitement d’images, le recalage, la mod´elisation 3D et la robo-tique. Plusieurs approches ont ´et´e ´etudi´ees pour permettre d’am´eliorer la sp´ecificit´e des biopsies prostatiques. Dans tous les cas, l’imagerie joue un rˆole capital dans le guidage des biopsies transrectales, que ce soit l’´echographie ou l’IRM. Par ailleurs, l’´emergence de nouvelles technologies telles que la fusion multimodale d’images a permis de larges ´etudes sur l’int´erˆet et le potentiel de l’approche des biopsies cibl´ees. Nous pr´esenterons succinctement les techniques mises en jeu : le recalage d’images et la fusion d’images.

2.1. Recalage d’images

Le recalage d’images est un processus qui consiste `a mettre en correspondance deux images ou plus, captur´ees de diff´erents points de vue, par diff´erents capteurs, `

a des temps distincts ou sur des sujets distincts. Le recalage d’images m´edicales, avec la segmentation, est l’un des domaines du traitement d’images les plus ´etudi´es, car il inclut plusieurs difficult´es telles que la fusion multi-modalit´e, la d´eformation structurelle et temporelle d’organes.

Le recalage s’effectue g´en´eralement entre 2 images : une image source ou flottante S (moving image) et une image cible ou de r´ef´erence T (fixed image). Le recalage est un probl`eme d’optimisation, l’objectif ´etant d’estimer la transformation optimale entre les deux images. La fonction objectif d´efinit le niveau d’alignement de deux images.

M´ethodes de recalage d’images

Les travaux concernant le recalage d’images sont tr`es nombreux et ne seront pr´esent´es ici que quelques principes. Pour plus une information plus compl`ete, le lecteur peut se r´ef´erer aux revues suivantes (Oliveira and Tavares,2014) et (Sotiras et al.,2013).

En 3D, le recalage rigide permet d’obtenir une transformation compos´ee de trois rotations et de trois translations. Il y a une transformation unique pour toute l’image.

Le recalage non rigide prend en compte les d´eformations ´eventuelles entre les images. La transformation obtenue est alors non lin´eaire. Il peut y avoir plusieurs transformations (par exemple, une par voxel ou par groupe de voxel).

50 Chapitre 2. Probl´ematique de la biopsie de prostate

Ainsi, l’algorithme de recalage d´epend de la fonction objectif d´efinie, de la m´ e-thode d’optimisation et de l’int´egration ou non d’un mod`ele de d´eformation.

Le recalage est d´efini comme mono-modal quand il est appliqu´e `a deux images obtenues d’une mˆeme modalit´e d’image, et multi-modal quand on recherche `a su-perposer deux images de modalit´es diff´erentes.

Les m´ethodes de recalage peuvent ˆetre divis´ees en trois groupes :

— les m´ethodes g´eom´etriques bas´ees sur la mise en correspondance d’objets g´ eo-m´etriques (points, courbes, surfaces ...) pr´esents dans les images. Les points de rep`ere sont recherch´es dans l’image et l’objectif est de minimiser un crit`ere sur les deux ensembles de points de rep`ere. La probl´ematique de ces m´ethodes est d’une part la localisation ou la segmentation de ces objets g´eom´etriques et d’autre part leur mise en correspondance.

— Les m´ethodes iconiques qui consistent en l’alignement d’images sur des cri-t`eres bas´es sur la comparaison d’intensit´e de pixel/voxel de l’image. Il existe diff´erents types de mesures de similarit´e entre les voxels de l’image. Ces m´ e-thodes donnent de bons r´esultats mais sont cependant gourmandes en calcul, car le calcul de la mesure de similarit´e demande de parcourir tous les voxels de l’image, une fois voire plusieurs fois. De plus, la similarit´e iconique ne porte en elle aucune information d’organisation spatiale de l’image et de son contenu. — Les m´ethodes hybrides qui combinent les deux approches pr´ec´edentes. Il existe par exemple des m´ethodes utilisant des points de rep`ere pour contraindre un recalage iconique (Han, 2010), ou combinant des informations d’intensit´e avec des informations g´eom´etriques telles que la courbure et la surface d’un maillage (Gorbunova et al.,2010). On trouve aussi une m´ethode de recalage g´eom´etrique am´elior´ee par une m´ethode de d´etection d’erreur de correspon-dance bas´ee sur les intensit´es d’image (Zhang et al.,2013).

Par la suite, nous nous int´eressons `a un probl`eme de recalage particulier qu’est le recalage 2D-3D. Ce type de recalage est utilis´e pour des gestes guid´ees par l’image dans des domaines tels que la chirurgie mini-invasive, la radiologie interventionnelle ou encore en radioth´erapie. Ferrante and Paragios (2017) en pr´esentent un ´etat de l’art complet. De nombreux travaux s’int´eressent `a la correspondance de projection (par exemple en radiologique) avec des donn´ees 3D.

Dans le cadre du suivi du geste de biopsie, un recalage doit ˆetre effectu´e entre une image 2D (qui une coupe), extraite d’un flux continu d’images sonographiques acquises pendant la proc´edure et un volume 3D acquis en pr´e-op´eratoire (scanner, IRM, volume ´echographique), voir Fig.2.1. Le recalage 2D-3D est difficile car l’in-formation pr´esente dans l’image 2D n’est souvent pas assez riche pour d´eterminer les 3 d´egr´es de libert´e hors plan de l’image par rapport au volume 3D. C’est pour-quoi de nombreux travaux proposent d’injecter des informations additionnelles de position `a l’aide par exemple d’un syst`eme de localisation de la sonde. D’autre part, ce recalage se doit d’ˆetre pr´ecis et r´ealisable en un temps de calcul compatible avec l’application clinique.

2. Approches ´etudi´ees 51

R|t

Figure 2.1. – Recalage rigide 2D-3D. L’objectif est de d´eterminer la transfor-mation compos´ee de 3 rotations et de 3 translations not´ee R|t, per-mettant de plonger l’image 2D dans le volume 3D. Au final, R|t permet de localiser l’image dans le volume.

Calcul de l’erreur

La validation d’un recalage et le calcul de l’erreur est une tˆache complexe. Pour cela, on peut par exemple se baser sur la position de points caract´eristiques dans les deux images et mesurer la distance entre ces points apr`es transformation.

(Maurer et al., 1997) a propos´e trois mesures pour analyser la pr´ecision d’un recalage (voir Fig. 2.2) Ces mesures sont bas´ees sur des points de rep`ere ou de rep´erage de l’image, nomm´es fiduciels.

L’erreur de localisation des fiduciels (Fiducial Localisation Error, FLE ) corres-pond `a l’erreur moyenne quadratique de l’alignement des fiduciels dans l’image et l’espace physique.

Dans la Fig. 2.2, a1 correspond `a un point de rep`ere dans l’image 1 et a^p₁ est le point r´eel inconnu dans l’espace correspondant `a a1. La FLE est d´efinie par :

F LE(mm) = r Pn

i=1ka_i− a^p_ik2

n o`u n est le nombre de fiduciels.

L’erreur de recalage des fiduciels (Fiducial Registration Error, FRE ) est l’erreur moyenne quadratique entre les fiduciels correspondants apr`es recalage. Dans la Fig. 2.2, a1 correspond `a un point de rep`ere calcul´e avec la m´ethode de recalage dans l’image 1 et T est la transformation entre l’image 1 et 2. T(a1) est le point transform´e dans l’image 2 et b<sub>1</sub>est le point de rep`ere calcul´e avec la mˆeme m´ethode de recalage, correspondant `a a1 dans l’image 2. La FRE est d´efinie par :

F RE(mm) = r Pn

i=1kb_i− T (a_i)k2

52 Chapitre 2. Probl´ematique de la biopsie de prostate

o`u n est le nombre de fiduciels.

L’erreur de recalage de cibles (Target Registration Error, TRE ) est la distance apr`es recalage entre un fiduciel dans un rep`ere et le fiduciel correspondant dans une autre rep`ere. Dans la Fig. 2.2, M<sub>1</sub><sup>1</sup> correspond `a un point de rep`ere cible dans l’image 1 (par exemple, un rep`ere anatomique) et M₁²correspond au mˆeme point de rep`ere cible dans l’image 2. T(M1

1) est le point M1

1 transform´e dans l’image 2. Ces points sont calcul´es de mani`ere ind´ependante de la m´ethode de recalage ´evalu´ee (par exemple par segmentation manuelle) et sont par exemple de nature plus ”clinique”. La TRE est d´efinie par :

T RE(mm) = r_Pn i=1kM2 i − T (M1 i)k2 n o`u n est le nombre de fiduciels.

T

M1 1 M21 T(M1 1) T(a1) b1 a1 ap1

FLE

TRE

FRE

image 1 image 2

Figure 2.2. – Mesure d’erreur de recalage. Soit T une transformation rigide entre l’image 1 et 2.

2.2. Fusion multimodale

La fusion d’images consiste `a transf´erer les informations connues dans une image `

a une autre image pour par exemple produire une nouvelle image r´esultante de la mise en correspondance de 2 images acquises `a des temps distincts avec la mˆeme modalit´e (fusion monomodale) ou diff´erentes modalit´es (fusion multimodale).

Dans le cadre de la biopsie de prostate, l’objectif de la fusion d’images multimo-dales est par exemple de pouvoir situer la zone suspecte d´etect´ee dans l’image IRM pr´e-op´eratoire sur l’image ´echographique per-op´eratoire (voir Fig.2.3).

De nombreux travaux mettent en jeu l’imagerie de prostate dans un cadre tr`es large. Les travaux dans ce manuscrit ne sont pas exhaustifs. Nous nous int´eressons plus particuli`erement aux syst`emes d’aide au geste per-op´eratoire.

2. Approches ´etudi´ees 53

Figure 2.3. – Fusion IRM-´echographie propos´ee par le syst`eme Urostation^r.

2.3. Navigation ´echo-guid´ee

Dans cette section, nous pr´esentons les technologies commercialis´ees et une litt´ e-rature plus exhaustive sera d´evelopp´ee dans le chapitre3.

L’approche des biopsies ´echo-guid´ees avec fusion IRM consiste `a utiliser l’´echographie pendant la proc´edure et l’IRM acquise en pr´e-op´eratoire.

En partant du constat que l’IRM, de par son accessibilit´e et son coˆut, ne peut ˆetre utilis´ee de mani`ere standard pour une proc´edure de biopsies de prostate, son int´erˆet reste n´eanmoins entier en pr´eop´eratoire pour la recherche de l´esions prostatiques. Ainsi, l’utilisation conjointe de l’imagerie IRM pr´e-op´eratoire et de l’imagerie ´ echo-graphique durant la proc´edure permettrait la r´ealisation de biopsies cibl´ees.

Le guidage de biopsies par ´echographie transrectale a l’avantage d’utiliser une imagerie simple, accessible et peu coˆuteuse. Cependant, elle ne permet pas de cibler la tumeur et ni de localiser les biopsies effectu´ees. Ces inconv´enients peuvent ˆetre compens´es par l’int´egration de syst`eme de localisation de la sonde ou de recalage d’images.

Dans la suite de cette section, nous exposerons les dispositifs commercialis´es pour l’assistance aux biopsies de prostate.

Plusieurs dispositifs pour le guidage de la biopsie de prostate par voie transrec-tale sont commercialis´es. Ces dispositifs permettent la visualisation, le guidage et l’enregistrement de la localisation des biopsies de la prostate r´ealis´ees par voie endo-rectale. Tous ces dispositifs int´egrent la fusion d’images US-IRM, en s’appuyantt sur une mise en correspondance entre ces deux images. La fusion est effectu´ee au d´ebut de la proc´edure entre un volume ´echographique transrectal 3D et l’IRM. L’int´erˆet est de pouvoir visualiser sur l’´echographie transrectale la localisation d’une zone suspecte du cancer vue `a l’IRM pr´ealablement r´ealis´ee.

54 Chapitre 2. Probl´ematique de la biopsie de prostate

de la biopsie de prostate. Ces dispositifs sont bas´es sur deux approches de reca-lage diff´erentes : (1) les syst`emes ´equip´es de syst`eme de localisation pour la sonde (sensor-based ) (2) les syst`emes de navigation bas´es sur le suivi d’organe (organ-based ).

2.4. L’approche sensor-based

L’approche dite sensor-based consiste apr`es un recalage initial US-IRM `a suivre en temps-r´eel la sonde ´echographique avec un localisateur (par exemple ´ electroma-gn´etique) offrant un syst`eme de positionnement global pour mettre `a jour la relation entre l’image ´echographique et l’image IRM. La principale limitation de ce type de dispositifs est qu’ils ne prennent pas en compte les mouvements de la prostate et du patient durant la proc´edure.

Il existe actuellement deux dispositifs commercialis´es de ce type : Artemis^TM (Eigen^TM, USA) et UroNav^r (Invivo, USA).

Le syst`eme Artemis<sup>TM</sup>, voir Fig.3.1, a ´et´e d´evelopp´e par l’´equipe d’Aaron Fens-ter (Bax et al., 2008) `a l’Institut de recherche Robarts (Ontario, Canada). Au-jourd’hui commercialis´e, le dispositif a ´et´e approuv´e par la FDA (Food and Drug Administration) en 2008. Le syst`eme est compos´e des ´el´ements suivants :

— un bras m´ecanique passif portant une sonde ´echographique 2D transrectale end-fire utilis´ee pour permettre sa stabilisation et encodant sa position. — Une application pour l’acquisition, le stockage et la reconstruction d’une s´erie

d’images ´echographiques 2D en image 3D, lanc´ee au d´ebut de la proc´edure et permettant d’obtenir le recalage initial.

— Une application pour l’affichage d’un mod`ele 3D de la prostate permettant le guidage et le positionnement des biopsies effectu´ees, ex´ecut´ee pendant la proc´edure.

Les zones suspectes et r´egions d’int´erˆet sur l’IRM sont rep´er´ees avant l’interven-tion. Au d´ebut de l’intervention, la prostate est scann´ee (rotation de 200 degr´es de la sonde) permettant de contruire un volume 3D de l’organe. Une segmentation semi-automatique de la prostate est effectu´ee `a partir de 4 points s´electionn´es dans le volume 3D reconstruit (Ladak et al.,2000). De mˆeme, l’IRM est segment´ee. La fusion commence par une s´election manuelle de points anatomiques sur les deux modalit´es d’images. Puis, une fois les deux images align´ees, le contour de la pros-tate sur l’image ´echographique est recal´e sur celui de l’IRM selon un algorithme de recalage de surface (Narayanan et al., 2009). Les ´etudes cliniques ont d´ebut´e en septembre 2009 et Natarajan et al. (2011) ont publi´e une ´evaluation clinique chez 218 patients du dispositif Artemis^r, dont 47 patients utilisant la fusion temps-r´eel ´

echographie-IRM. Cette ´etude a montr´e un taux de biopsies positives de 33% chez des patients avec l´esions suspectes qui ont eu des biopsies cibl´ees, contre 7% pour

2. Approches ´etudi´ees 55

(a) (b)

Figure 2.4. – (a) Le dispositif Artemis^TM (b) Interface du logiciel Artemis^TM : Visualisation 3D des biopsies syst´ematiques et cibl´ees `a gauche et cible visualis´ee sur l’image IRM `a droite

des biopsies syst´ematiques non cibl´ees.

Le dispositif UroNav^r, voir Fig.2.5, est n´e de la collaboration entre Philips et l’Institut National du Cancer Am´ericain en 2006. Le syst`eme fonctionne de la mˆeme mani`ere que le dispositif pr´ec´edent. Le suivi de la sonde utilise un localisateur ´

electromagn´etique. Un recalage rigide est r´ealis´e entre l’image IRM 3D et l’image ´

echographique 3D au d´ebut de la proc´edure. Pendant la proc´edure, un recalage ri-gide iconique est effectu´e entre plusieurs coupes d’images 2D et l’image IRM `a l’aide d’une initialisation donn´ee par le localisateur.Xu et al.(2008) a d´ecrit une premi`ere ´

evaluation du prototype de l’UroNav^r r´ealis´ee sur 20 patients. Pinto et al. (2011) a rapport´e une ´etude de l’UroNav^r sur 101 patients : 89.5% des patients avec des l´esions tr`es suspectes `a l’IRM ont eu des biopsies positives.

Il existe de nombreuses publications scientifiques qui ont pr´ec´ed´e la commercia-lisation des deux premiers dispositifs. Pour les dispositifs suivants, nous n’avons pu obtenir que peu d’informations.

Le dispositif BioJet^r et bkFusion^r, d´evelopp´e par BK Technologies est un logiciel de fusion IRM-´echographie prostatique permettant la r´ealisation de biopsies cibl´ees.

Le dispositif TargetScan^r commercialis´e par Envisioneering Medical Technolo-gies est une station d’aide `a la biopsie de prostate ´equip´ee d’un bras passif portant une sonde ´echographique side-fire (Andriole et al.,2007). TargetScan^r permet l’ac-quisition de volume ´echographique 3D par exemple au d´ebut de la proc´edure. Les biopsies r´ealis´ees sont positionn´ees dans ce volume avec l’encodage de position de la sonde. L’objectif de ce dispositif est d’obtenir la position des carottes pour mettre

56 Chapitre 2. Probl´ematique de la biopsie de prostate

(a) (b)

(c)

Figure 2.5. – Le dispositif UroNav^r: (a) Interface UroNavr(b) Station UroNavr

(c) Localisateur ´electromagn´etique d’UroNav^r.

en place un planning de traitement par curieth´erapie.

Bien que la plupart de ces dispositifs proposent des interfaces de mise `a jour en temps-r´eel de la position de la cible rep´er´ee sur l’image IRM, ils n’int`egrent pas les mouvements et d´eformation de la prostate. Ainsi, les boug´es du patient ou de l’organe au cours de l’examen ne seront pas pris en compte, ce qui peut cr´eer une erreur de positionnement des biopsies.

2.5. L’approche organ-based

Le recalage dit organ-based ne localise pas la sonde dans l’espace mais l’organe de la prostate dans un volume ´echographique 3D de r´ef´erence recal´e avec l’image IRM. Ce type de recalage prend en compte les mouvements du patient et la d´eformation

2. Approches ´etudi´ees 57

de la prostate. Cependant, l’acquisition de l’imagerie 3D et le temps de calcul de recalage ne permettent pas d’utiliser le syst`eme pour d´eterminer en temps-r´eel la position de biopsie correspondant `a la position courante de la sonde.

(a) (b)

(c) (d)

Figure 2.6. – Les dispositifs Urostation^r et Trinity^r (a) Station Urostation^r, coupl´ee `a un ´echographe. (b) Interface Urostation^r : fusion ´

echographie-IRM et cartographie des carottes. (c) Station Trinity^r avec ´echographe int´egr´e. (d) Interface Trinity^r : cartographie des carottes avec cible IRM.

D´evelopp´e au sein du laboratoire TIMC-IMAG et propos´e parBaumann (2012), le recalage ´echographique 3D-3D ´elastique a ´et´e ´evalu´e sur 47 patients avec une pr´ecision de 0.76±0.52mm sur un total de 687 recalages.

Bas´e sur cette m´ethode, le dispositif Urostation^r(Koelis^r, France), voir Fig.2.6, est un syst`eme de navigation pour les biopsies par voie transrectale dont le m´

eca-58 Chapitre 2. Probl´ematique de la biopsie de prostate

nisme de suivi est bas´ee sur le recalage de volume ´echographique 3D, int´egrant une estimation des d´eformations. Durant l’intervention, un volume de r´ef´erence est construit dans un premier temps `a partir de trois volumes ´echographiques 3D. Ce volume est appel´e le volume ”panorama” et sert de r´ef´erence anatomique. Par la suite, `a chaque biopsie r´ealis´ee, une acquisition 3D de la prostate avec l’aiguille de biopsie en place est effectu´ee afin d’obtenir par fusion d’images 3D US-US et recalage US-IRM en d´ebut de proc´edure une cartographie pr´ecise des biopsies. Par ailleurs, la station offre la possibilit´e de faire des biopsies ”virtuelles”, c’est-`a-dire de r´ealiser un recalage sans biopsie, pour v´erifier le bon positionnement de la sonde.

Le syst`eme Urostation<sup>r</sup> a ´et´e commercialis´e et approuv´e FDA en 2010 et la nouvelle version du syst`eme, avec ´echographe int´egr´e et appel´ee Trinityr, a ´et´e commercialis´ee en 2015 et approuv´ee FDA en 2016.

Les r´ecentes ´etudes cliniques (Recabal et al., 2016; Matsugasumi et al., 2015;

Mariotti et al., 2016) montrent que (1) la fusion IRM-´echographie am´eliore la d´ e-tection de cancer pr´ealablement suspect´e sur l’image IRM et que (2) les biopsies cibl´ees am´eliorent la d´etection de cancer de haut-grade chez des patients sous sur-veillance active.

Ce dispositif permet ainsi d’obtenir une cartographie pr´ecise des biopsies du pa-tient. La principale contrainte du syst`eme est le temps d’attente entre les biopsies : il faut environ 3 secondes pour obtenir une acquisition 3D, temps pendant lequel l’op´erateur ne doit pas bouger la sonde, auquel il faut ajouter environ 5 secondes, temps de calcul du recalage entre le volume de biopsie et le panorama. Grˆace `a l’utilisation de l’optimisation sur GPU, ce temps de recalage a pu n´eanmoins ˆetre r´eduit `a 1 seconde.

De 2012 `a 2015, le projet ANR PROSBOT (Robot Prostatique Contrˆol´e par Mo-d`ele et Image) coordonn´e par Koelis (Vitrani et al.,2015) s’est focalis´e sur le geste de la biopsie de prostate en proposant de d´evelopper un dispositif robotique comani-pul´e, voir Fig.2.7, et guid´e par l’image ayant pour objectif d’augmenter la pr´ecision du geste. Ce dispositif est compos´e d’un robot porte-sonde qui a deux modes : un

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